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鮑店礦摩擦式提升機(jī)恒減速緊急制動控制與速度分析

發(fā)布時間：

2025-06-03

來源：

https://mp.weixin.qq.com/s/h5LgL7juoux6JGCTeiDgNg

導(dǎo)讀

為進(jìn)一步探究摩擦式提升機(jī)緊急制動時存在的安全隱患，以鮑店煤礦副井西車為研究對象，首先分析了西車恒減速制動及 PID 控制原理，建立西車恒減速制動系統(tǒng)傳遞函數(shù)，從制動系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖得出，固有頻率和阻尼比的適當(dāng)選取，對制動系統(tǒng)的響應(yīng)速度和振蕩性能有重要影響。其次，現(xiàn)場進(jìn)行緊急制動測試，結(jié)果表明：重載上提工況制動初期減速度按預(yù)設(shè)值下降，之后減速度出現(xiàn)較大振蕩波動，隨后趨向平穩(wěn)；重載下放工況制動初期減速度沒有按預(yù)設(shè)值減小，反而增大，減速度呈近似正弦曲線波動且振幅較大。最后，基于振蕩減速現(xiàn)象，分析了減速度振蕩曲線產(chǎn)生的機(jī)理，并給出了影響振蕩減速波動的因素。

近年來，隨著煤礦開采深度、提升速度的增加，安全事故也隨之增多。礦山提升設(shè)備以及安全保障措施發(fā)展迅速，然而在提升運(yùn)輸期間，安全事故依舊屢屢出現(xiàn)。大多數(shù)事故的發(fā)生及其影響程度與提升機(jī)制動系統(tǒng)故障或制動方法不當(dāng)有直接關(guān)系。礦井提升機(jī)的緊急制動減速度是衡量其制動系統(tǒng)性能和響應(yīng)速度的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。減速度的大小直接關(guān)系到提升機(jī)發(fā)生故障時能否快速、可靠、平穩(wěn)地制動。盤式制動器作為影響提升機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件，當(dāng)?shù)V井提升機(jī)在提升或下降過程中發(fā)生故障時，緊急制動系統(tǒng)會立即啟動，迅速切斷電源，電液比例閥控制系統(tǒng)回油，盤式制動器則立即進(jìn)行緊急制動，使閘瓦迅速貼合。提升機(jī)運(yùn)行的安全保障主要有調(diào)速和制動兩個方面，其中調(diào)速主要依靠電控系統(tǒng)，制動則依靠制動系統(tǒng)。恒減速制動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于摩擦式提升機(jī)，避免因緊急制動減速度過大而造成滑繩等重大安全事故的發(fā)生。

隨著鮑店煤礦提升機(jī)工作量的加大，其緊急制動系統(tǒng)安全狀況變得十分重要。在煤礦生產(chǎn)中，由于提升機(jī)經(jīng)常在低速、重載以及多振動的特殊工況下工作，導(dǎo)致制動系統(tǒng)可能會因為多種原因發(fā)生故障。為了盡可能排除提升機(jī)在緊急制動時存在的安全隱患，進(jìn)行了緊急制動測試。測試結(jié)果表明，緊急制動時速度曲線并不是按照預(yù)先設(shè)置的減速度值下降，而是呈現(xiàn)減速振蕩波動，存在較大的安全隱患，影響提升安全。所以本研究針對恒減速制動系統(tǒng)進(jìn)行分析，為進(jìn)一步探明提升機(jī)緊急制動速度振蕩波動提供基礎(chǔ)。

1 提升機(jī)制動減速度要求及控制原理

1.1 恒減速制動減速度要求

為確保起重運(yùn)輸貨物時的人員安全和作業(yè)安全，規(guī)定制動減速度如表1 所列。

表1 立井及傾斜井緊急制動減速度取值

式中：a_z 為自然減速度；β 為井巷傾角，(°)；f 為繩端載荷的運(yùn)行阻力系數(shù)。

1.2 恒減速制動控制原理

鮑店煤礦副井西車恒減速緊急制動時，采用的控制器為 PLC，型號為 PLCS7-400，傳感器采集到提升機(jī)的實時減速度值后，與預(yù)設(shè)的理論減速度值進(jìn)行比較，通過電液比例閥控制制動油壓。恒減速制動原理如圖1 所示。

圖1 恒減速制動原理示意

1.3 提升機(jī)液壓制動控制系統(tǒng)

鮑店煤礦副井西車液壓站采用了西瑪格液壓盤式制動系統(tǒng)及其配套的電制動控制系統(tǒng)。其中一套系統(tǒng)負(fù)責(zé)工作運(yùn)行，另一套系統(tǒng)則作為備用，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的故障或維修需求。液壓制動原理如圖2 所示。

圖2 液壓制動原理

1.油箱；2.過濾器；3.電動機(jī)；4.液壓泵；5.溢流閥；6.單向閥；7.電液比例換向閥；8.蓄能器；9.液壓缸；10.油壓傳感器。

鮑店煤礦液壓站設(shè)計為采用雙恒減速制動機(jī)制，以確保在緊急情況下能夠迅速且平穩(wěn)地停止設(shè)備運(yùn)行。當(dāng)安全回路因故觸發(fā)跳閘保護(hù)時，系統(tǒng)會立即響應(yīng)，自動關(guān)閉電動機(jī)以及換向閥，從而切斷主電源，并啟動恒減速制動流程。

2 提升機(jī)制動系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立

2.1 PID 概述

在機(jī)械控制領(lǐng)域，PID 控制是應(yīng)用最廣泛的算法之一。它引入反饋機(jī)制來準(zhǔn)確捕獲偏差信號，以偏差信號作為控制，實現(xiàn)被控對象的精確控制，構(gòu)成高效、靈活的控制策略。PID 控制原理如圖3 所示。

圖3 PID 控制原理

2.2 電液比例閥傳遞函數(shù)建立

電液比例方向閥是提升機(jī)制動液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，兼有流量控制和方向控制兩種功能，其控制原理如圖4 所示。

圖4 電液比例換向閥控制原理

電液比例閥通過電反饋信號與傳感器測量的主閥值位移變化，形成閉環(huán)控制 (見圖5)。位移傳感器將主線圈位移信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后與輸入控制信號進(jìn)行比較。最后送至比例放大器的輸入端。

圖5 提升機(jī)制動系統(tǒng)速度閉環(huán)控制

式中：m_v 為滑閥組的質(zhì)量，kg；x_v(t) 為滑閥隨時間變化的位移，mm；B_v 為閥芯與閥套間的摩擦因數(shù)；B_f為滑閥芯的動態(tài)阻尼系數(shù)；K_f 為液動力的等效剛度，N/mm；P_f 為滑閥控制油壓力，MPa；F_i 為任意負(fù)載力，N；C_d 為流量系數(shù)；C_v 為速度系數(shù)；W 為閥的面積梯度，mm；L 為閥芯位移；θ 為射流角。

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

電液比例換向閥電壓-位移傳遞函數(shù)為

式中：K_b 為比例換向閥位移增益；ω_nh 為比例換向閥固有頻率；ξ_nh 為比例換向閥阻尼比。

2.3 提升機(jī)緊急制動系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立

通過分析恒減速制動原理，建立摩擦提升機(jī)緊急制動傳遞函數(shù)框圖，進(jìn)一步確定影響制動系統(tǒng)的響應(yīng)速度、振蕩性能的相關(guān)參數(shù)。

盤式制動器活塞受力的平衡方程為

式中：A_h 為活塞有效工作面積，mm²；P 為液壓腔壓力，MPa；x_h 為碟形彈簧位移，mm；x₀ 為碟形彈簧預(yù)壓縮量，mm；m_t 為活塞驅(qū)動質(zhì)量，kg；B_t 為活塞的速度阻尼系數(shù)；K_t 為碟形彈簧剛度，N/mm。

電液比例閥對盤式制動器傳遞函數(shù)的控制流程如圖6 所示。

圖6 電液比例閥控制制動器傳遞函數(shù)

根據(jù)圖6，得到電液比例閥閥芯位移和制動器充油腔壓力 P 為輸出的傳遞函數(shù)：

式中：K_lw 為電磁比例閥的流量-位移增益；ω_z 為慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率，rad/s；ω_h 為比例閥控液壓缸固有頻率，rad/s；ξ_h 為比例閥控液壓缸阻尼比。

由式 (9) 可知，隨著 ω_z 的增大，系統(tǒng)的響應(yīng)在低頻區(qū)域的幅值減小。ω_h 越大，系統(tǒng)的高頻響應(yīng)越明顯，在高頻下，系統(tǒng)可能更容易發(fā)生振蕩或不穩(wěn)定。阻尼比 ξ_h 對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性有重要影響。增大 ξ_h，會使系統(tǒng)更加“平滑”，減小振蕩；減小 ξ_h，會使系統(tǒng)在接近共振頻率時更容易發(fā)生振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)過慢。因此，頻率 ω_z、ω_h 和阻尼比 ξ_h 對系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性有重要影響。

綜上所述，鮑店煤礦提升機(jī)制動系統(tǒng)速度反饋調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)如圖7 所示。

圖7 提升機(jī)制動系統(tǒng)速度閉環(huán)傳遞函數(shù)

分析圖7 可知，當(dāng)速度調(diào)節(jié)信號輸入時，系統(tǒng)存在偏差，若偏差過大，則會影響提升機(jī)制動系統(tǒng)的制動性能，嚴(yán)重影響提升安全；要使制動系統(tǒng)具有高的動態(tài)性能指標(biāo)，需要選擇合適的阻尼比和固有頻率。提高固有頻率可以提高制動系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增大阻尼比可以降低制動系統(tǒng)的振蕩性能，減少制動系統(tǒng)的超調(diào)，但會增加上升時間和峰值時間。所以，要使制動系統(tǒng)偏差減小，具有滿足制動系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)該減小制動系統(tǒng)超調(diào)量，提高制動性能。

3 提升機(jī)緊急制動測試與分析

對鮑店煤礦副井西車進(jìn)行提升機(jī)緊急制動測試，配合工作人員將相關(guān)儀器安裝在對應(yīng)位置，分別測試重載上提和重載下放工況。副井西車緊急制動重載上提、重載下放速度曲線如圖8 所示。

圖8 不同工況下的速度曲線

如圖8(a) 所示，當(dāng)以最大運(yùn)行速度制動時，重載上提的速度曲線出現(xiàn)“振蕩波動”。在 95.0～95.3 s 時，制動減速度不斷減小，在重載上提時，重物自然減速度大于控制系統(tǒng)給定值，使得速度正常減小；95.3～95.5 s 時，“速度閉環(huán)”系統(tǒng)在發(fā)出減速信號后，液壓站的響應(yīng)時間滯后，導(dǎo)致速度沒有在規(guī)定時間內(nèi)減小；95.5～97.0 s 時，制動減速度時大時小，這是由恒減速制動系統(tǒng)存在的控制精度誤差和液壓系統(tǒng)響應(yīng)時間滯后，共同作用形成的。

如圖8(b) 所示，在 32.00～32.18 s 時，制動減速度沒有按照預(yù)期下降，反而變大，原因主要有兩方面。首先，緊急制動時，制動初期盤式制動器與制動盤之間的間隙沒有消除，導(dǎo)致閘瓦貼向制動盤動作不及時，造成制動初期減速度值偏離預(yù)設(shè)值，速度超調(diào)量過大，進(jìn)而影響整個恒減速制動系統(tǒng)的閉環(huán)控制；其次，重載下放時，重物的慣性力導(dǎo)致制動減速度加大。32.18～32.30 s 時，速度傳感器檢測到制動減速度過大，超出預(yù)設(shè)值，控制系統(tǒng)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，使制動減速度減小。32.30～34.30 s 時，由于盤式制動器性能較差，彈簧回彈不足，導(dǎo)致制動油回流速度慢，“抱閘”作用時間延長，而總緊急制動時間為固定值。制動后期，制動力矩過大，如果制動減速度較大，則速度會產(chǎn)生劇烈振蕩；之后，減速度趨于穩(wěn)定，直至為零。

為進(jìn)一步探明導(dǎo)致緊急制動減速度產(chǎn)生振蕩波動的因素，在提升機(jī)緊急制動時，分別測試運(yùn)行速度CH3 為 4 m/s 重載上提和重載下放工況的油壓 CH1和閘瓦偏擺 CH2，具體結(jié)果如圖9 所示。

圖9 多通道信號緊急制動測試結(jié)果

如圖9(a) 所示，提升機(jī)在緊急制動前，閘瓦偏擺有輕微波動，屬于正常現(xiàn)象，緊急制動瞬間，在95.00～95.20 s 閘瓦偏擺變化較大，之后趨于穩(wěn)定。油壓在 95.00～95.10 s 內(nèi)迅速減小，制動力達(dá)到最大值，彈簧帶動活塞移動，閘瓦貼向制動盤，對制動盤施加制動力矩，使提升機(jī)減速。減速度在 95.00～95.25 s 不斷減小，油壓在 95.25 s 升高，之后的減速時間，油壓的大小隨著減速度的變化而變化，減速度為 0，油壓迅速下降，但油壓不會下降為 0，油液不會全部排回油箱，部分油液存在于制動系統(tǒng)，隨著緊急制動次數(shù)的增加，制動系統(tǒng)內(nèi)的殘余油液變多，嚴(yán)重影響制動性能。圖 9(a)、(b) 相似，油壓和閘瓦偏擺都是可能造成減速度振蕩的重要因素。

結(jié)合測試結(jié)果，在緊急制動階段，重載下放工況鋼絲繩動張力較大，重載上提鋼絲繩動張力小，主要是由于罐籠在重載上提和重載下放的慣性力方向不同，導(dǎo)致制動減速度變化也不同。鋼絲繩動張力

式中：F₁ 為重載下放側(cè)鋼絲繩動張力，N；F₂ 為重載上提側(cè)鋼絲繩動張力，N；a 為制動減速度。

由式 (10)、(11) 可知，提升機(jī)緊急制動在上提、下放時，罐籠及重物質(zhì)量和重力加速度是確定的，鋼絲繩動張力不斷變化，制動減速度也隨之變化。提升和下放的載荷越大，張力波動越大，進(jìn)而制動減速度波動也越大。此外，隨著提升容器載重和制動減速度的變化，PID 控制的相關(guān)參數(shù)也要變化，保證恒減速制動時，閘盤能迅速貼合制動盤，便于改善制動初期減速度振蕩波動，進(jìn)而保證提升安全。

對制動減速度產(chǎn)生“振蕩減速”現(xiàn)象進(jìn)行分析，給出可能使鮑店煤礦副井西車減速度產(chǎn)生振蕩波動的因素。

(1) 空動時間長。緊急制動信號發(fā)出后，閘瓦在貼合制動盤的過程中延誤了較長時間，造成調(diào)速滯后，減速度值無法及時控制。

(2) 殘壓過高。恒減速緊急制動時，油液不能全部排回油箱，有部分會留在液壓系統(tǒng)，隨著緊急制動次數(shù)過多，殘余油液在制動系統(tǒng)增多，導(dǎo)致殘壓升高。殘壓的高低將直接影響松閘合閘的快慢，從而引起制動失效。

(3) 制動盤偏擺，導(dǎo)致制動力不能全部施加在制動盤上，制動力矩不是恒定值，減速度值無法得到有效控制。

(4) 盤式制動器液壓缸中的碟形彈簧在頻繁制動時，由于超出其疲勞極限，會出現(xiàn)失效現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致制動力減小。

(5) 電磁比例閥的磁滯效應(yīng)，導(dǎo)致不能及時輸入制動力，進(jìn)而使減速度沒有按照預(yù)期下降。

(6) 制動盤和閘瓦的摩擦因數(shù)太大或者太小，都會影響提升機(jī)的制動性能。

4 結(jié)論

(1) 建立了鮑店煤礦副井西車傳遞函數(shù)，適當(dāng)選取電液比例閥的固有頻率和阻尼比，可以提高制動的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)的振蕩性能。

(2) 緊急制動瞬間，重載上提工況減速度按預(yù)期下降，這是由于重物的自然減速度大于預(yù)設(shè)值，所以提升機(jī)正常減速。重載下放工況減速度先增大，沒有按照預(yù)設(shè)值下降，這是由于空動時間過長，貼閘不及時，加之重物在下放過程中產(chǎn)生慣性力，兩者共同作用形成的。制動系統(tǒng)的響應(yīng)速度滯后，導(dǎo)致減速度呈近似正弦波曲線振蕩減速。

(3) 由于影響鮑店礦副井西車提升機(jī)恒減速緊急制動減速度振蕩波動的因素較多，筆者僅是基于制動減速度產(chǎn)生的波動現(xiàn)象，結(jié)合恒減速制動特性對減速度波動進(jìn)行分析。空動時間、殘壓過高、閘瓦偏擺、盤式制動器蝶形彈簧的失效等可能是減速度振蕩波動的影響因素，這為進(jìn)一步探究緊急制動減速度振蕩波動提供了參考。

無

某銅礦大型半自磨機(jī)襯板壽命提升研究

無